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为研究巴西果效应下制备工艺对热再生沥青混合料沥青活性度（DoA）的影响，选取搅拌时间、新集料预热温度、沥青混合料回收料（RAP）粒径以及 RAP 和不同粒径集料加入试验室内搅拌锅的顺序等制备工艺参数为分析变量，在不添加再生剂的情况下将 RAP 与粒径相差较大的天然集料直接进行机械拌和、筛分并对筛分后的混合料进行沥青抽提试验，以测定其沥青含量并计算各再生沥青混合料的 DoA。结果表明：热再生沥青混合料在任何制备工艺下均存在巴西果效应；在制备热再生沥青混合料时，搅拌时间、新集料预热温度、RAP 粒径均与 DoA 呈正相关；相比细粒径 RAP，选用粗粒径 RAP 制备得到的热再生沥青混合料的 DoA 由 30%提高至 60%；巴西果效应进一步解释了搅拌过程中小粒径 RAP 更多的分布于搅拌锅底层，与上层的大粒径新集料的接触碰撞几率减小而降低了沥青转移量，通过延长搅拌时间可减弱这一影响，但这种减弱有限。 关键词：再生沥青混合料；巴西果效应；制备工艺；DoA 0 引 言 随着我国公路总里程的迅速增加，一方面对天然石料和沥青的需求逐年增加，另一方面废旧沥青路面材料的堆积问题日益显现。为了解决这一问题，厂拌热再生技术应运而生，通过将 RAP掺入到新沥青混合料中以实现减少新沥青用量，节约经济成本的目的，同时还可减少废旧材料占地问题，利于环境友好[1]。然而，RAP 作为一种复合材料，掺入到新沥青混合料中的作用机理相较于传统沥青混合料更加复杂[2]，若对 RAP 使用不当，将造成再生沥青混合料性能较差等问题。 为了能更好理解再生沥青混合料中出现的新旧沥青混溶现象，学者们从宏观尺度或微观尺度进行了大量的研究[3]。根据 Lo Presti 和 Oreškovic´[1-2]对混溶过程中关键因素的命名，对于 RAP 中老化沥青，在制备工艺的影响下，一部分老化沥青会被活化，将这部分活性沥青质量与总的老化沥青质量之比定义为 RAP 的沥青活性度（DoA）。 Huang 等[4]使用不同掺量的小粒径 RAP 与大粒径新集料在不添加新沥青以及再生剂的情况下直接拌和，然后筛分并抽提，结果发现DoA约为11%，并且该值与 RAP 掺量无关。Shirodkar 等[5]研究指出，当采用与 Huang 不同的制备工艺后，RAP 掺量为 24%和 35%时，DoA 分别为 24%和 15%。Kaseer 等[6]采用机械搅拌法研究 RAP 的沥青可利用率(BAF)，结果表明 BAF 随着 RAP 老化程度的加深而降低。Zhao 等[7]采用凝胶渗透色谱（GPC）技术，重新定义沥青大分子尺寸百分比（LMSP）以评估 RAP 中老化沥青活化率，结果发现活化率随着 RAP 掺量的增加而降低，当 RAP 掺量为 10%时，活化率接近 100%，而 RAP 掺量为 80%时，活化率仅 24%。Bowers 等[8]基于 GPC 研究了 RAP的混溶率（BR），对试验结果分析并外推后认为搅拌时间为 5min 时可以确保 BR 达到 100%，尽管这并非实际生产中所用时间。Nahar 等[9]应用原子力显微镜（AFM）第一次发现在新旧沥青界面之间存在混溶空间，且在混溶界面处两者的混溶程度为 100%，但该现象仅存于小部分区域。关泊等[10]采用 AFM 研究了新旧沥青融合再生过程中不同区域的微观形态结构，发现与老化沥青相比，再生沥青致密的“蜂形”结构变得疏松，表明老化沥青再生过程中，沥青质的相对含量降低。石鹏程[11]等使用 AFM 研究新旧沥青的混溶变化规律，通过蜂状结构来表征混溶程度，结果发现随着新沥青掺量的增加，再生沥青中蜂状结构的个数不断增加，单个面积不断变小。赵占立[12]利用示踪剂并通过荧光显微镜来观察新旧沥青的微观混溶状态，发现新旧沥青之间整体混溶均匀，局部混溶不均匀。Ding 等[13]采用荧光显微镜研究再生沥青混合料中的新旧沥青混溶情况，引入平均灰度值概念，并根据平均灰度值与老化沥青含量的线性关系来定量描述老化沥青的活化率。Vassaux 等[14]使用带有 ATR 镜头的红外显微镜研究新集料预热温、RAP 掺量等因素对新旧沥青的混溶程度（DoB）的影响，提出以混溶区域的羰基官能团峰面积定量描述 DoB。陈龙等[15]基于分子动力学（MS）方法模拟新旧沥青界面的再生机制，同时验证不同试验条件下试样界面再生流变特征，结果显示新沥青越软，新-旧沥青界面再生混溶程度越大。Zhang 等[16]利用 LIGGGHTS 模拟了 RAP不同掺量下，搅拌过程中集料之间的热量传递以及沥青转移情况，结果表明在热量传递方面，模拟结果与试验结果具有良好的一致性：RAP 的掺量越高，则需要更高的新集料预热温度或更长的搅拌时间来保证较好的混溶程度。 在许多使用不同粒径颗粒混合物的工业场合，都会出现的一个重要现象：当这些颗粒混合物被摇晃或推挤时，较大的颗粒会上升到顶部，出现颗粒偏析。1987 年，工程师们将这种偏析现象作为“巴西果问题”引入物理学界[17]。在制备再生沥青混合料时，可以发现这种颗粒偏析现象也明显存在，该效应会影响集料分布，进而影响到再生沥青混合料的 DoA，而现有研究大多仅考虑到RAP 掺量、搅拌时间、搅拌温度、再生剂的选择等因素，鲜有考虑颗粒偏析的影响。 因此，本文采用机械搅拌法，考虑新集料预热温度、搅拌时间、RAP 粒径以及 RAP 和不同粒径的新集料加入拌锅的顺序等因素对再生沥青混合料中的沥青活性度影响，同时，考虑巴西果效应下不同制备工艺对 RAP 中沥青转移量的影响，以期理解该效应在再生沥青混合料中发挥的作用，提升再生沥青混合料的制备效能。 1 原材料与试验 为避免实际道路 RAP 的不均匀性、质量控制难以保证、含水率差异等问题，本研究使用试验室制备的人工 RAP，通过室内老化试验得到老化沥青，并与新集料拌和制备人工 RAP[18]。 1.1 老化沥青 首先制备老化沥青，其中，原样沥青为某厂商生产的 90#基质沥青。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）中的规定方法，将基质沥青放入薄膜烘箱，在 163℃的条件下保温 5h 得到短期老化沥青，接着将经短期老化后的沥青置于压强为 2.1MPa，温度为 100℃的压力老化容器中保温 20h 得到长期老化沥青。原样沥青和老化后沥青的主要技术指标如表 1 所示，由表 1 可以发现，沥青老化后的针入度和延度降低，软化点升高，135℃黏度增加，符合实际沥青老化后的指标变化特征。
1.2 制备 RAP 在本次研究中，考虑到不同粒径 RAP 对 DoA的影响，制备两种 RAP，分别是粒径为 1.18-2.36mm（Fine，简称 F）的 RAP 和粒径为 4.75-9.5mm（Middle，简称 M）的 RAP。考虑到石灰岩表面吸附有石屑泥沙等情况，对石灰岩集料进行筛分、清洗并烘干，如图 1（a）所示。为避免RAP 沥青含量过高导致不易筛分等情况，选定RAP 沥青含量为 3%，通过拌和试验来确定老化沥青用量以避免制备过程中出现的沥青损耗，对F 料和 M 料分别拟定沥青用量为 3.3%、3.2%、3.1%和 3.5%、3.3%、3.1%进行 RAP 制备，在测定每种混合料的沥青含量后最终确定F料RAP的沥青用量为 3.2%，M 料 RAP 的沥青用量为 3.4%。沥青混合料搅拌设备选用上海昌吉地址仪器有限公司生产的型号为 SYD-F02-20 的自动混合料拌和机。将 4800g 的 F 料和 153.6g 老化沥青分别在180℃和 150℃的烘箱中预热 3h 和 1.5h，在 150℃条件下，搅拌 2min 以获得 F 料 RAP，进行多次制备以获得足够的 F 料 RAP。以相同方式制备 M料 RAP，并且将制备完成的 RAP 按每份 1236g 分开，于常温下保存 24h，如图 1（b）所示。
1.3 再生沥青混合料 为便于 RAP 与新集料的筛分，放弃实际生产级配，改用与 RAP 粒径相差较大的新集料组成再生沥青混合料级配[6]，其中 RAP 掺量为 1236g，占总质量的 34%，两档新集料均为 1200g，具体级配如表 2 所示，将粒径为 13.2~16mm（Coarse）的新集料称为 C 料。由于巴西果效应导致颗粒偏析，集料间无法均匀接触，这将使得 RAP 与不同粒径的集料碰撞几率降低。考虑到当 RAP 与不同粒径的新集料按不同的顺序加入搅拌锅时，会影响到搅拌时各集料间的碰撞几率，为此，采用升、降序的搅拌工艺进行研究，其中，当 RAP 与新集料按照粒径由大到小顺序添加到搅拌锅时，称为降序（Descending）搅拌，在该添加顺序下，C 料位于搅拌锅底层，M 料位于中间层，F 料位于上层；当按照粒径由小到大添加到搅拌锅时，称为升序（Ascending）搅拌。此外，为考虑搅拌时间、新集料预热温度以及 RAP 粒径等影响因素，制备多种再生沥青混合料，其中，RAP 预热温度为110℃，RAP 和新集料的预热时间分别为 2h 和 3h，搅拌温度为 150℃，其他制备条件如表 3 所示。当再生沥青混合料制备完毕后，立即使用筛孔为13.2mm以及 4.75mm的筛，分多次将混合料筛分。筛分前先将筛预热，筛分时通过上下摇晃进行筛分，以避免左右摇晃时造成混合料滚动而使得较多沥青黏附在筛上，在这种操作手法下黏附在筛上的沥青较少，对结果的影响可以忽略不计。
1.4 沥青抽提试验 对筛分后的混合料使用三氯乙烯进行沥青抽提以确定各档集料表面的沥青含量，抽提流程如下：测定洁净空烧杯的重量并编号；称取约200~300g 的混合料放入洁净烧杯中称得总重；将适量三氯乙烯倒入烧杯静置 10min；将烧杯中的三氯乙烯倒入废液桶中，使用滤纸过滤并测定过滤前后滤纸的重量；重复抽提多次直至沥青被抽提完全；将抽提后的混合料、烧杯和滤纸放入 80℃的烘箱中 30min，确保无残留三氯乙烯；计算抽提前后混合料质量并确定沥青含量（沥青质量与集料质量之比）。 2 试验结果与分析 本研究在分析再生沥青混合料中老化沥青转移量时，采用沥青活性度 DoA 为评价指标，评估各制备工艺和 RAP 粒径等对 DoA 的影响。DoA表达式如式（1）所示。作为 RAP 的固有属性，DoA 具有重要意义，它与制备工艺有关，可用于改进 RAP 材料的分类，在设计再生沥青混合料时，有助于确定合适性能和数量的新沥青和再生剂。
从图 2 可以发现，在搅拌作用下，再生沥青混合料中的各档集料并未出现均匀分布，而是分层分布，并且在上层分布的粗集料更多，下层分布的细集料更多。这说明再生沥青混合料在搅拌过程中，即使集料表面包裹着有黏性的沥青，集料之间存在黏结力，仍然受到巴西果效应影响并呈现出上述分布规律，这可能是因为本此研究中老化沥青受热后，沥青黏性较小，导致颗粒间的黏结力过小而未能影响到巴西果效应。
从图 3 和图 4 可以看出，对于 F 料的 RAP，在不同的制备工艺下，各档集料表面沥青含量均呈现出 C 料最少，F 料最多。这是因为在本次试验中，RAP 和各集料粒径相差较大，且数量较少，因此在搅拌开始后，大粒径集料会迅速上浮[19]，RAP 和新集料将快速完成重分布的过程。在这种颗粒偏析下，下层的 F 料与上层的 C 料接触碰撞几率降低，更多的是 F 料自身的接触碰撞，所以F 料的 RAP 表面的沥青更多的在 F 料之间转移，很少发生与 C 料的转移，而 F 料与中层的 M 料的接触碰撞次数更多，所以 M 料的沥青含量相较于 C 料更多。同时，粒径越大的集料比表面积越小，吸附沥青的能力也越弱[20]，这进一步导致沥青含量分布呈现出上述规律，最终表现为 F 料表面的沥青含量最多，M 料次之，C 料最少，这导致大量老化沥青聚集在 F 料，形成较厚的沥青膜，加大了新沥青和再生剂与老化沥青间混溶扩散的难度[21]。 2.1 搅拌时间和预热温度的影响 从图 3 和图 5 可以看出，当搅拌时间从 30s增加到 60s 后，相较于 FA160-30，FA160-60 中 M料和 C 料表面的沥青含量稍有增加，两种再生沥青混合料的 DoA 分别为 24%和 23%，差异较小。这可能是因为，在搅拌时间达到 30s 前，沥青的转移量或已趋于稳定状态，延长搅拌时间虽然可以提高集料间的碰撞次数，但是由于颗粒偏析的存在，延长搅拌时间更多影响到相同粒径集料间的碰撞，对不同粒径集料间的碰撞影响甚微，进而导致 RAP 料、M 料、C 料表面沥青含量变化不明显。当新集料预热温度从 160℃提高到 180℃后，相较于 FD160-30，FD180-30 中 M 料和 C 料表面的沥青含量更高，DoA 从 25%提高到 27%，但同样提升幅度较小。这可能源于本试验采用人工RAP，相对于真实 RAP，老化程度更低，110℃的RAP 在与 160℃的新集料搅拌之后，RAP 中的老化沥青温度使其变得足够软，再次提升温度对沥青的性质影响较弱，所以两者的 DoA 差异较小。
2.2 升降序搅拌工艺和 RAP 粒径的影响 从图 4 可以看出，FD160-30 和 MD160-30 的各档集料表面的沥青含量分布规律一致，沥青含量最多的为 F 料，其次为 M 料，最少的为 C 料，这说明对于 M 料的 RAP，在搅拌过程中大量沥青从 M 料表面转移到了新集料表面，并且其中大部分沥青转移到了 F 料。这是因为在搅拌过程中 M料的 RAP 位于 F 料和 C 料之间，更容易被预热后的新集料加热，使得老化沥青温度更高，沥青更软。同时，位于中层的 RAP 与上下层新集料接触碰撞几率更大，更容易发生沥青转移，DoA 因此达到了 60%。此外，由于 F 料相较于 M 料、C料更容易吸附沥青，所以表现出大量沥青从 M 料转移到 F 料，较少沥青转移到 C 料。当 RAP 为 F料时，除了比表面积导致的 F 料吸附沥青能力强以外，还因为 F 料更多的位于搅拌锅底，与新集料接触接触碰撞的几率变低，传热效率也因此变差，RAP 升温较慢，最终导致沥青转移量较低，DoA 仅为 25%。 从图 4 可以看出，在 30s 搅拌时间下，降序搅拌时 FD160-30 再生沥青混合料的新集料表面沥青含量相较于升序搅拌时 FA160-30 的新集料表面沥青含量稍有增加，DoA 分别为 25%和 23%，二者差异不明显。这可能是因为本次试验中使用的再生沥青混合料数量较少，RAP 以及各粒径的新集料从初始分布状态发展到稳定分布状态的时间较快，在搅拌时间达到 30s 之前，集料分布状态或已稳定，沥青转移量也随之稳定，继续搅拌对沥青转移量影响较小。为了验证这一猜想，进行补充试验，在该试验中，搅拌时间从 30s 降为12s，其他条件保持不变，制备完成后的筛分结果如图 6 所示。
从图 6 和图 7 可以看出，在 12s 搅拌时间下，相较于升序搅拌，降序搅拌的新集料表面沥青含量更高，且差异明显，DoA 从升序搅拌时的 14%提高到降序搅拌时的 20%。两种搅拌工艺下，C 料表面的沥青含量差异较小，而 M 料表面沥青含量差异较大，相较于升序搅拌，降序搅拌时的 M 料表面沥青含量更高，二者相差 0.17%，这说明升降序会影响 RAP 中老化沥青的转移量，同时也说明在一定程度内可以利用巴西果效应使其有利于沥青转移。原理在于，降序搅拌时 RAP 从再生沥青混合料的上层逐渐向下层移动，新集料逐渐从下层向上层移动，在运动过程中，新旧料之间碰撞几率较大，沥青更容易转移，集料分布逐渐稳定后，新旧集料之间碰撞几率也随之降低。对于升序搅拌，从初始状态到分布稳定状态用时更短，不同粒径间的集料缺少上下移动过程，导致集料之间的接触碰撞几率较小，沥青转移量更低，最终降序搅拌的 DoA 优于升序搅拌的 DoA。当搅拌时间延长到 30s，可以发现，无论是升序还是降序，沥青转移量均有所增加，DoA 从 14%、20%分别增加到了 23%、25%。相较于 12s 的搅拌时间，30s 搅拌时间使得因升降序差异导致的再生沥青混合料的 DoA 差异更小，这表明延长搅拌时间会减弱升降序搅拌工艺的影响。当搅拌时间延长到 60s 之后，可发现 DoA 几乎没有变化，这说明搅拌时间的延长虽然可以增加 DoA，但效果有限。
3 结 论 本研究验证了通过机械搅拌法可高效获得再生沥青混合料中的 DoA 这一重要参数，有助于再生沥青混合料设计时对新沥青和再生剂的合理选择。通过分析试验结果表明，在巴西果效应下，不仅会影响到新集料对 RAP 的热量传递，也会减弱搅拌时间对 RAP 中老化沥青的转移量的影响，具体结论如下： （1）不同制备工艺下再生沥青混合料均出现巴西果效应，各粒径集料之间呈现分层分布而并非均匀分布，集料表面沥青含量与其粒径大小呈负相关，即 F 料>M 料>C 料； （2）搅拌时间、RAP 粒径以及新集料的预热温度均与 RAP 中沥青转移量呈现正相关关系，相同条件下，搅拌时间越长、RAP 粒径越大、预热温度越高，RAP 表面的老化沥青越容易发生转移，DoA 也越高。其中，RAP 粒径对 DoA 的影响最为明显，粗粒径 RAP 相较于细粒径 RAP，其 DoA值由 30%提高至 60%； （3）当搅拌时间为 12s 时，在巴西果效应的作用下，通过降序搅拌可提高再生沥青混合料的DoA，相较于升序搅拌的 DoA，降序搅拌的 DoA从 14%提升至 20%。对于再生沥青混合料制备存在的巴西果效应，需要进一步细化完善试验以深入理解巴西果效应，除了采用降序搅拌的方式。 对巴西果效应加以利用外，是否还有其他有效手段可减弱该效应的不利影响。同时，在混合料数量较多，含有更多不同粒径的集料且加入新沥青或再生剂导致集料之间的黏结力增大后，该效应会产生何种影响，将在后续研究中开展。 参考文献：略 来源：大连海事大学学报.2022-06-08 |
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